TWI835760B - 距離飛行時間模組 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種使用一光學TOF模組來判定至一物件之距離之方法。該方法包含：在該TOF模組中獲取指示至該物件之距離的信號；使用一第一演算法以基於該等經獲取信號來提供指示至該物件之該距離之一輸出；使用至少一第二不同演算法以基於該等經獲取信號來提供指示至該物件之該距離之一輸出；及組合該第一演算法之該輸出與該至少一第二演算法之該輸出以獲得至該物件之該距離之一改良估計。在一些實施方案中，該第一演算法及該至少一第二演算法之各者進一步提供表示一各自可信度等級之一輸出，該各自可信度等級指示該特定演算法已多準確地提取至該物件的距離。
Description
本發明係關於距離飛行時間模組。
例如，飛行時間(TOF)感測器可用於偵測至一物件之距離。例如，在直接TOF技術中，一單個、極短脈衝可經引導朝向一物件且藉由該物件反射。該TOF感測器可用於藉由量測該感測器與該物件之間的一光信號之飛行時間而基於已知光速解析距離。TOF感測器中之電路可使用來自像素之信號以計算(例如)光自發射器行進至所關注之一物件且返回至焦平面陣列所花費之時間。例如，TOF感測器可實施為一整合式感測器晶片。
在接近距離處，諸多潛在問題可能影響TOF距離量測之準確度。首先，光學串擾(例如，來自一蓋玻璃及/或該蓋玻璃上之污跡之反射)及目標反射峰值可重疊且無法很好地區分。又，對於極近物件，視差效應可降低所偵測信號之量值。
將期望開發使用光學TOF裝置改良近接及距離之量測之準確度之技術。
本發明描述距離TOF模組及使用此等TOF模組之方法。
在一項態樣中，例如，本發明描述一種使用一光學TOF模組來判定至一物件之距離之方法。該方法包含：在該TOF模組中獲取指示至該物件之距離之信號；使用一第一演算法以基於該等經獲取信號提供指示至該物件之該距離之一輸出；使用至少一第二不同演算法以基於該等經獲取信號提供指示至該物件之該距離之一輸出；及組合該第一演算法之該輸出與該至少一第二演算法之該輸出以獲得至該物件之該距離之一改良估計。
在另一態樣中，本發明描述一種TOF模組，其包含：一光學發射器，其可操作以從該模組發射一特定波長之輻射；一TOF感測器，其可操作以偵測藉由該模組外之一物件反射之該特定波長之輻射；及一或多個處理器，其或其等可操作以使用一第一演算法以基於該經偵測輻射提供指示至該物件之距離之一輸出，使用至少一第二不同演算法以基於該經偵測輻射提供指示至該物件之該距離之一輸出，及組合該第一演算法之該輸出與該至少一第二演算法之該輸出以獲得至該物件之該距離之一改良估計。
在一些實施方案中，該第一演算法及該至少一第二演算法之各者進一步提供表示一各自可信度等級之一輸出，該各自可信度等級指示該特定演算法已多準確地提取至該物件之距離。
將自以下詳細描述、附圖及技術方案容易地明白其他態樣、特徵及優點。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張於2017年12月4日申請之美國臨時申請案第62/594,067號的優先權利，該案之全部內容係以引用的方式併入本文中。
各種方法可用於自TOF感測器之一直方圖判定接近範圍內之物距。各方法之執行取決於該物距以及環境條件(例如，目標反射率、環境光、蓋玻璃性質、偵測器與蓋玻璃之間的氣隙、蓋玻璃上之污跡)。因此，不同方法可具有不同方法針對其等產生相對準確結果之不同各自參數範圍。
如下文所描述，根據一項發明態樣，多個不同距離量測技術係以一協同方式組合以在廣泛範圍之條件下獲得改良之距離估計。一頂級演算法組合兩個或兩個以上選定較低級演算法之輸出，如(例如)圖1中所展示。該等較低級演算法之各者不僅可產生一距離估計之一輸出，而且可產生一可信度等級之一輸出。該可信度等級係指示特定較低級演算法已多準確地提取距離。
一第一方法依靠雙峰值之偵測。極短脈衝寬度及高時間轉數位轉換器(TDC)解析度可允許量測近物件以及較遠物件之距離。在一些例項中，在表示量測之結果之直方圖中具有兩個峰值：一個峰值表示自蓋玻璃及/或自光學串擾反射之信號，且一第二峰值表示自所關注之(若干)物件反射之信號。參見圖2之實例，其係頻率區間數對比計數數目之一圖表，且其展示兩個峰值。可藉由計算該兩個峰值之間的距離或藉由計算物件峰值(或合併物件/串擾峰值)與一參考單光子突崩二極體(SPAD)峰值之間的距離而判定至物件之距離。在一些情況中，一經提取峰值可位於頻率區間之間。
堆積(pile up)可導致峰值之一左移位且近似與峰值之信號功率成比例。為補償堆積，可施加一右移位。該右移位之振幅可為(例如)峰值高度、內插之峰值高度或峰值能量之估計之一比例；在一些例項中，其甚至可考量峰值形狀。
環境光亦可導致直方圖之失真。例如，在關閉主動照明時獲得之一背景量測或自該背景量測導出之具有較少雜訊(例如，擬合)之一信號可用於校正該失真。對由因環境光而產生之堆積所引起之峰值之左移位之補償可以類似於對由信號峰值所引起之堆積之補償之一方式執行。用於校正之參數可不同且可考量背景量測。
可藉由各種技術(諸如最大值偵測、內插、質心計算或脈衝擬合)偵測內插之峰值位置。在執行峰值偵測之前，可過濾直方圖以減少雜訊。
一第二方法依靠一峰值下降(或上升)邊緣之偵測。此方法可在直方圖中之兩個峰值係可區分時使用，但其亦可在串擾與物件峰值合併時使用。例如，在一些例項中，峰值之下降邊緣經偵測且與一參考物之下降邊緣比較，如(例如)圖3A中所展示。例如，下降邊緣可係藉由定限(即，下降邊緣與一特定值交叉之位置，通常相對於最大峰值振幅或內插峰值振幅)偵測。定限亦可包含內插下降邊緣以提高準確度且減少雜訊。下降邊緣可係以其他方式偵測，諸如峰值之下降邊緣部分的擬合或質心計算。圖3B繪示用於一質心計算之一實例，且包含一參考SPAD峰值之下降邊緣之重心與一物件SPAD峰值之下降邊緣之重心之一比較。在一些實施方案中，可偵測上升邊緣來代替下降邊緣。偵測上升邊緣可有利於(例如)非黑色目標。
在一些實施方案中，視差效應係用於偵測極近物件，且使用三角測量用於距離計算。參見圖4之實例。因此，藉由物件反射之照明光束之一光點的位置取決於物距。自量測提取該光點位置(在一個維度上)以計算物距。若偵測器具有可(例如)運用若干TDC個別地讀出之若干像素，則可提取位置。若可個別地啟用/停用偵測器陣列中之SPAD，則可藉由使用經啟用之不同SPAD的兩個量測來偵測光點的位置。參見圖5A及圖5B之實例。對於所繪示實例，光學模擬展示在1 mm及8 mm之目標距離處之SPAD陣列上的輻照度。在一些例項中，可獲取具有不同SPAD設置之兩個以上量測以改良位置提取的穩健性。又，可使用若干最佳化圖案，或可使用完整偵測器(若每半部(half)具有其自身TDC)。可應用校準以補償可能因製造容限而發生之所偵測信號的劣化。
圖6繪示針對四個通道之頻率區間數對比計數之一圖表之一實例，其中TDC1、TDC3及TDC2、TDC4分別在偵測器之相同半部上。串擾校準量測(無目標/無限遠或極低反射率目標)可判定如下：
預設光點位置校準量測(目標量測)可判定如下：
可接著用校準量測來補償物件直方圖。量測(即，通道)之比較容許估計距離。在一些情況中，取代無限遠處之校準，一所定義物距處之一直方圖量測可用於提取兩個校準資料集。
在一些情況中，TOF偵測器可在容許量測一量測內之每個SPAD之光速率之一強度模式中操作。在此等情況中，此量測之質心可用於估計視差且判定物距。圖6A及圖6B展示結合若干目標距離之強度量測之實例。質心係與不具有一目標之一校準量測之質心比較及/或與具有一所定義距離處之一目標之一校準量測比較。為改良量測之穩健性，可在計算質心之前自物件量測減去不具有一目標之校準量測。被稱為「不具有一目標」之校準量測可(例如)使用一極黑目標完成。
用於判定接近範圍內之距離之一第三方法係基於強度的。在接近距離處，反射功率相對較大。距離TOF近接模組可依類似於一習知基於強度之近接偵測器之一方式使用。在此情況中，取代使用距離資訊，判定對於反射功率之一估計(例如，峰值最大值、峰值積分、複雜擬合函數)。
在一些情況中，所偵測之直方圖可展示串擾，但無背景信號(即，在所有頻率區間上之實質上恆定位準)。此結果之原因有可能在於TOF感測器(或容納TOF感測器之裝置之罩蓋)係與阻擋所有或實質上所有環境光之一物件接觸。因此，在此等情況中，與TOF模組相關聯之處理器可經程式化以假定一物件(例如，一使用者之手指、耳朵或其他身體部分)係與TOF感測器或主機裝置接觸。
如上文所指示，TOF模組可包含接收由封裝中之反射以及來自安置於TOF模組上方之蓋玻璃之反射所引起之光學信號之一參考SPAD。若一物件極近，則光亦可藉由該物件反射回至傳輸器孔徑中及至該參考SPAD。藉由參考SPAD偵測之信號之變化可用於估計物距。參考SPAD直方圖中之變化可為(例如)峰值振幅之增加或峰值之變寬。
可在數位電子電路中，或在電腦軟體、韌體或硬體(包含本說明書中所揭示之結構及其等結構等效物)中或其等之一或多者之組合中實施本說明書中所描述之標的及功能操作之各項態樣。本說明書中所描述之標的之實施例可實施為一或多個電腦程式產品，即，在一電腦可讀媒體上編碼以藉由資料處理設備執行或控制資料處理設備之操作之電腦程式指令之一或多個模組。該電腦可讀媒體可為一機器可讀儲存裝置、一機器可讀儲存基板、一記憶體裝置、實現一機器可讀傳播信號之一物質組合物，或其等之一或多者之一組合。術語「資料處理設備」及「電腦」涵蓋用於處理資料之所有設備、裝置及機器，舉例而言，包含一可程式化處理器、一電腦或多個處理器或電腦。除了硬體之外，設備亦可包含產生針對討論中之電腦程式之一執行環境之程式碼，例如，構成處理器韌體、一協定堆疊、一資料庫管理系統、一作業系統或其等之一或多者之一組合之程式碼。
可以任何形式之程式設計語言(包含編譯或解譯語言)撰寫一電腦程式(亦被稱為一程式、軟體、軟體應用程式、指令檔或程式碼)，且其可以任何形式部署，包含作為一獨立程式或作為一模組、組件、副常式或適用於一運算環境中之其他單元。一電腦程式並不一定對應於一檔案系統中之一檔案。一程式可儲存於保持其他程式或資料(例如，儲存於一標示語言文件中之一或多個指令檔)之一檔案之一部分中，儲存於專用於討論中之程式之一單個檔案中或多個協調檔案(例如，儲存一或多個模組、子程式或程式碼之若干部分之檔案)中。一電腦程式可經部署以執行於一電腦上或定位於一位點處或跨多個位點分佈且藉由一通信網路互連之多個電腦上。
可藉由一或多個可程式化處理器執行本說明書中所描述之程序及邏輯流程，該一或多個可程式化處理器執行一或多個電腦程式以藉由對輸入資料操作及產生輸出來執行功能。亦可藉由專用邏輯電路(例如，一FPGA (場可程式化閘陣列)或一ASIC (特定應用積體電路) )來執行該等程序及邏輯流程，且設備亦可實施為該專用邏輯電路。
適用於執行一電腦程式之處理器(例如)包含通用微處理器及專用微處理器兩者及任何種類之數位電腦的任一或多個處理器。一般而言，一處理器將自一唯讀記憶體或一隨機存取記憶體或兩者接收指令及資料。一電腦之基本元件係用於執行指令之一處理器及用於儲存指令及資料之一或多個記憶體裝置。一般而言，一電腦亦將包含用於儲存資料之一或多個大容量儲存裝置(例如，磁碟、磁光碟或光碟)，或經可操作耦合以自該一或多個大容量儲存裝置接收資料或將資料傳送至該一或多個大容量儲存裝置或該兩種情況。然而，一電腦不需要具有此等裝置。此外，一電腦可被嵌入於另一裝置中，例如，一行動電話、一個人數位助理(PDA)、一行動音訊播放器、一全球定位系統(GPS)接收器，等等。適用於儲存電腦程式指令及資料之電腦可讀媒體包含所有形式之非揮發性記憶體、媒體及記憶體裝置，舉例而言，包含：半導體記憶體裝置，例如，EPROM、EEPROM、及快閃記憶體裝置；磁碟，例如，內部硬碟或可移式磁碟(removable disk)；磁光碟；及CD ROM及DVD-ROM光碟。處理器及記憶體可藉由專用邏輯電路而增補或併入專用邏輯電路中。
為提供與一使用者之互動，可在一電腦上實施本說明書中所描述之標的的實施例，該電腦具有用於向該使用者顯示資訊之一顯示裝置(例如，一CRT (陰極射線管)或LCD (液晶顯示器)監視器)，且該使用者可藉由其而提供輸入至該電腦之一鍵盤及一指向裝置(例如，一滑鼠或一軌跡球)。其他種類之裝置亦可被用於提供與一使用者之互動；例如，提供給該使用者之回饋可為任何形式之感覺回饋，例如，視覺回饋、聽覺回饋或觸覺回饋；且來自該使用者的輸入可以任何形式被接收，包含聲音、語音或觸覺輸入。
可在一運算系統中實施本說明書中所描述之標的的態樣，該運算系統包含一後端組件(例如，作為一資料伺服器)，或包含一中介軟體組件(例如，一應用程式伺服器)，或包含一前端組件(例如，具有一使用者可透過其與本說明書中所描述之標的之一實施方案互動之一圖形使用者介面或一網頁瀏覽器之一用戶端電腦)，或包含一或多個此等後端、中介軟體或前端組件的任何組合。該系統之該等組件可係藉由任何形式或媒體之數位資料通信 (例如，一通信網路)互連。通信網路之實例包含一區域網路(「LAN」)及一廣域網路(「WAN」)，例如，網際網路。運算系統可包含用戶端及伺服器。一用戶端及伺服器一般彼此遠離且通常透過一通信網路互動。用戶端與伺服器的關係憑藉運行於各自電腦上及彼此具有一用戶端-伺服器關係的電腦程式而發生。
雖然本說明書含有許多細節，但此等細節不應被理解為限制本發明或可主張之內容的範疇，而是被理解為描述特定於本發明之特定實施例的特徵。本說明書中在分離實施例之背景內容中所描述之特定特徵亦可組合而被實施於一單個實施例中。相反地，在一單個實施例之背景內容中描述之各種特徵亦可分別被實施於多個實施例中，或係以任何合適子組合實施。此外，儘管特徵在上文可被描述為依特定組合起作用且甚至最初如此主張，然來自一所主張之組合的一或多個特徵在一些情況中可自該組合免除，且該所主張之組合可係關於一子組合或一子組合的變型。
類似地，雖然在圖式中依一特定順序描繪操作，但此不應被理解為需要依所展示之該特定順序或依循序順序來執行此等操作或需要執行所有經繪示之操作以達成所要結果。在特定境況中，多任務處理及平行處理可為有利的。此外，上文所描述之實施例中之各種系統組件之分離不應被理解為在所有實施例中需要此分離，且應理解，所描述之程式組件及系統可大體上一起整合於一單個軟體產品中或封裝於多個軟體產品中。
已描述數個實施方案。然而，將理解，可在不脫離本發明之精神及範疇之情況下進行各種修改。因此，其他實施方案係在(若干)發明申請專利範圍之範疇內。
圖1繪示將多個演算法組合至一最後距離輸出之一實例。
圖2係頻率區間(bin)數對比計數數目之一圖表之一實例。
圖3A及圖3B繪示使用一質心計算之峰值下降邊緣偵測之實例。
圖4繪示使用三角測量基於視差效應之距離判定之一實例。
圖5A及圖5B繪示視差效應對一光電偵測器之照明之影響之模擬實例。
圖6繪示針對四個通道之頻率區間數對比計數之一圖表之一實例。
圖7A及圖7B繪示使用三角測量基於視差效應基於使用TOF偵測器之強度模式之距離判定之一實例。
Claims (8)
- 一種使用一光學飛行時間(TOF)模組來判定至一物件之距離之方法，該方法包括：藉由一TOF感測器獲取指示至該物件之距離的多個信號，其中獲取多個信號包括偵測由該物件反射之輻射，以及其中該TOF感測器包括在一單一基板上的一單光子突崩二極體的陣列，該單光子突崩二極體的陣列包括一第一組單光子突崩二極體及一第二組單光子突崩二極體；由該第一組單光子突崩二極體對該經偵測的輻射執行一第一量測，其中在該第一量測期間，只有該第一組單光子突崩二極體被啟用；產生對應於該第一量測的一第一直方圖；由該第二組單光子突崩二極體對該經偵測的輻射執行一第二量測，其中在該第二量測期間，只有該第二組單光子突崩二極體被啟用；產生對應於該第二量測的一第二直方圖；使用一第一演算法以基於該等經獲取信號來提供指示至該物件之該距離之一輸出；使用至少一第二演算法以基於該等經獲取信號來提供指示至該物件之該距離之一輸出，該第二演算法不同於該第一演算法；其中該第一演算法及該第二演算法的至少一者包括：偵測被該物件反射之輻射的視差移位，及比較該第一直方圖及該第二直方圖； 及組合該第一演算法之該輸出與該至少一第二演算法之該輸出，以獲得至該物件之該距離之一改良估計。
- 如請求項1之方法，其中該等演算法之至少一者包含一雙峰值方法，其中基於用於藉由該TOF模組偵測之信號之兩個峰值之間之一距離來判定至該物件之該距離。
- 如請求項1之方法，其中該等演算法之至少一者包含一雙峰值方法，其中基於一物件峰值與一參考峰值之間之一距離來判定至該物件之該距離。
- 如請求項1之方法，其中該等演算法之至少一者係基於一峰值下降邊緣的偵測。
- 如請求項1之方法，其中該等演算法之至少一者係基於藉由該TOF模組偵測之反射功率的強度。
- 如請求項1之方法，其中該等演算法之至少一者係基於藉由該TOF模組偵測之環境光的強度。
- 如請求項1之方法，其中該等演算法之至少一者係基於偵測由該物件反射之光之視差移位及分析單光子突崩二極體之一強度影像。
- 一種飛行時間(TOF)模組，其包括：一光學發射器，其可操作以從該模組發射一特定波長的輻射；一TOF感測器，其可操作以偵測由該模組外之一物件反射之該特定波長的輻射，其中該TOF感測器包括在一單一基板上的一單光子突崩二極體的陣列，該單光子突崩二極體的陣列包括：一第一組單光子突崩二極體，其經組構成對該經偵測的輻射執行一第一量測；及一第二組單光子突崩二極體，其經組構成對該經偵測的輻射執行一第二量測；及一或多個處理器，該一或多個處理器可操作以：藉由該第一組單光子突崩二極體對該經偵測的輻射執行一第一量測，其中在該第一量測期間，只有該第一組單光子突崩二極體被啟用；藉由該第二組單光子突崩二極體對該經偵測的輻射執行一第二量測，其中在該第二量測期間，只有該第二組單光子突崩二極體被啟用；產生對應於該第一量測的一第一直方圖；產生對應於該第二量測的一第二直方圖；使用一第一演算法以基於該經偵測輻射來提供指示至該物件之距離之一輸出；使用至少一第二演算法以基於該經偵測輻射來提供指示至該物件之該距離之一輸出，該第二演算法不同於該第一演算法；其中該第一演算法及該第二演算法的至少一者包括：偵測被該 物件反射之輻射的視差移位，及比較該第一直方圖及該第二直方圖；及組合該第一演算法之該輸出與該至少一第二演算法之該輸出，以獲得至該物件之該距離之一改良估計。
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